來(lái)自精密醫(yī)療成像技術(shù)的靈感：汽車(chē)工業(yè)檢測(cè)新手段誕生

今天，絕大多數(shù)的汽車(chē)都是身披一層閃閃發(fā)光的“外衣”，用它的酷炫來(lái)吸引人們的眼球。實(shí)際上，你看到的這些閃耀的金屬光澤以及各種各樣的顏色都是由汽車(chē)油漆材料中所加入的微小金屬薄片的分布和特性所決定的。現(xiàn)在，一種基于醫(yī)學(xué)成像技術(shù)（光學(xué)相干斷層掃描OCT）的新方法為汽車(chē)工業(yè)提供了一種實(shí)用手段，來(lái)對(duì)這些金屬薄片進(jìn)行自動(dòng)分析，以提高汽車(chē)后處理的效率。而在以前，其他技術(shù)手段都難以對(duì)這種材料進(jìn)行成像研究。

“這種新方法能夠定量，并且自動(dòng)化測(cè)量工業(yè)應(yīng)用汽車(chē)涂料中金屬薄片的尺寸、數(shù)量以及排列方向”，來(lái)自英國(guó)利物浦大學(xué)的同時(shí)作為該項(xiàng)目的首席研究員Yaochun Shen教授說(shuō)道：“這種方法可能會(huì)對(duì)汽車(chē)制造程序中的質(zhì)量控制過(guò)程非常有用”。

光學(xué)相干斷層掃描技術(shù)是一種以微米級(jí)分辨率獲取實(shí)時(shí)橫截面圖像、基于光學(xué)的先進(jìn)成像技術(shù)。自1991年發(fā)明以來(lái)，該技術(shù)在醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用迅速擴(kuò)大，今天的醫(yī)生們經(jīng)常會(huì)使用該技術(shù)來(lái)診斷眼科疾病等。另外，該技術(shù)正在不斷進(jìn)入新的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域，現(xiàn)在許多研究人員還在探索將其作為改善制造和工業(yè)流程的有效工具的可能性。

Yaochun Shen教授介紹說(shuō)：“油漆噴涂步驟是汽車(chē)加工制造過(guò)程中的一個(gè)技術(shù)瓶頸所在。如果成品車(chē)的車(chē)身油漆不符合相關(guān)要求，則必須將其進(jìn)行化學(xué)去除，并將車(chē)輛完全重新粉刷，這不僅要花費(fèi)大量的時(shí)間和金錢(qián)，還可能會(huì)造成化學(xué)廢棄物和相關(guān)的環(huán)境問(wèn)題”。

在著名光學(xué)期刊美國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)（OSA）的《Optics Express》上，Shen和他的同事報(bào)道稱(chēng)，他們的方法可以自動(dòng)識(shí)別直徑僅為10微米，厚度為1微米的金屬片，并對(duì)其進(jìn)行精確的三維測(cè)量，可以成功應(yīng)用在汽車(chē)涂料樣品上。并且隨著進(jìn)一步研究，該技術(shù)有望對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，這樣就可以實(shí)時(shí)檢測(cè)到油漆噴涂過(guò)程中所發(fā)生的問(wèn)題。

“使用該技術(shù)監(jiān)控在線工藝還可以幫助汽車(chē)制造商更好地了解整個(gè)涂層工藝。有了更好的了解，汽車(chē)行業(yè)才可能會(huì)開(kāi)發(fā)出新的涂層工藝或新型涂層材料” Shen說(shuō)道。

非接觸式涂料分析

汽車(chē)車(chē)身所用的油漆一般都具有復(fù)雜的四層結(jié)構(gòu)，汽車(chē)行業(yè)目前通常使用超聲波成像技術(shù)在質(zhì)量控制中對(duì)汽車(chē)油漆進(jìn)行檢查。雖然超聲波檢測(cè)儀器使用方便，但該方法不能有效地對(duì)許多現(xiàn)代汽車(chē)涂料中使用的微小金屬薄片進(jìn)行成像。并且超聲波測(cè)量?jī)x器還要求設(shè)備與樣品進(jìn)行接觸，這意味著超聲波技術(shù)無(wú)法在不干擾油漆噴涂工作的前提下進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)。

“當(dāng)汽車(chē)制造商聯(lián)系我們，希望開(kāi)發(fā)出一種能夠分析汽車(chē)油漆材料中閃光金屬薄片的新技術(shù)時(shí)，我們覺(jué)得光學(xué)相干斷層掃描技術(shù)或許可以提供一個(gè)完美的解決方案。我們?cè)谘劭蒲芯恐薪?jīng)常使用到光學(xué)相干斷層掃描技術(shù)，因?yàn)樗哂休^高的成像分辨率，并且可以在不接觸樣品的情況下進(jìn)行測(cè)量，因此非常適合汽車(chē)制造商生產(chǎn)過(guò)程中的分析要求”Shen說(shuō)道。

研究人員設(shè)計(jì)了一種具有非常高的橫向空間分辨率的3D光學(xué)相干斷層掃描儀器來(lái)區(qū)分微小的薄片，該設(shè)備還具有高深度分辨率以查看每個(gè)薄片的位置和排列方向。由于單個(gè)三維光學(xué)相干斷層掃描圖像包含了數(shù)以千計(jì)的薄片——數(shù)量太多，導(dǎo)致無(wú)法手動(dòng)測(cè)量——研究人員還開(kāi)發(fā)了一種算法，以自動(dòng)識(shí)別和表征樣品中的每個(gè)薄片。

（a）OCT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；（b）USAF 1951分辨率板的OCT正面圖像；（c）汽車(chē)油漆樣品的深度剖面示意圖；（d）本工作中使用的汽車(chē)油漆板的照片，其中被測(cè)區(qū)域用九個(gè)紅色點(diǎn)突出顯示。

研究人員通過(guò)對(duì)五種油漆樣品進(jìn)行技術(shù)測(cè)試后發(fā)現(xiàn)，光學(xué)相干斷層掃描系統(tǒng)對(duì)頂部?jī)蓪悠?chē)涂料（包括具有金屬薄片的涂層）的成像分析運(yùn)行良好。使用3D分析算法，可以有效確定涂料樣品中金屬薄片的數(shù)量、大小和排列方向。

4種汽車(chē)油漆樣品的OCT檢測(cè)結(jié)果（左）與B掃描顯微形貌（右）的比較

研究人員表示，目前的光學(xué)相干斷層掃描技術(shù)，無(wú)論是硬件還是軟件都已經(jīng)能夠勝任工業(yè)環(huán)境中常用汽車(chē)油漆的分析檢測(cè)，他們接下來(lái)需要繼續(xù)研究加速測(cè)量的方法，以便更好的實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

此外，研究人員也正在嘗試將光學(xué)相干斷層掃描技術(shù)應(yīng)用于其他一些工業(yè)領(lǐng)域中，例如分析藥片的表面涂層等。藥片涂層的質(zhì)量能夠有效控制藥物的釋放速率，該技術(shù)可以幫助人們定量分析這些涂層的厚度均勻性，并檢查其是否含有缺陷等。

Shen教授表示：光學(xué)相干斷層掃描技術(shù)在醫(yī)療方面的應(yīng)用已經(jīng)比較成熟，現(xiàn)在，該技術(shù)同樣可以在許多工業(yè)應(yīng)用中大展拳腳！


轉(zhuǎn)載自：“無(wú)損檢測(cè)NDT”微信公眾號(hào)
來(lái)源：美國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)（OSA）
譯自：sciencedaily
譯者：Vince

參考文獻(xiàn)：

Jinke Zhang, Bryan M. Williams, Samuel Lawman, et al. Non-destructiv6eanalysis of flake properties in automotive paints with full-field opticalcoherence tomography and 3D segmentation. Optics Express, 2017; 25 (16): 18614 DOI: 10.1364/OE.25.018614

Jinke Zhang